3.2.5 传热与换热结构

燃料电池堆对氢能的利用，除了发电外，产生的热量也相当可观，相当于进入电池的总氢能的45%～60%。但是，燃料电池的排气温度相对较低，排气带走的热量仅为3%左右，辐射散热和空气自然对流的比例很小，大部分热量需要通过额外的冷却系统带走。过高或过低的温度都会直接影响膜和膜组的性能。因此，有必要对质子交换膜燃料电池冷却系统进行优化设计，以确保燃料电池的高效稳定运行。

燃料电池堆中的发热分为以下几部分：电化学反应的可逆热（也称为熵热）、反应的不可逆热、欧姆热、水蒸气冷凝产生的热量 ^[2] 。根据热力学第二定律，可逆热是反应物的总化学能与最大有用能之间的差值。为了在电流流动时保持恒定的温度，必须带走电极中的热量。不可逆的热量来自燃料电池中的不可逆电化学反应。由于燃料电池反应分裂成两个电极反应，阳极和阴极上都会产生热量。欧姆热的发生是因离子和电子流过燃料电池堆组件的阻力而产生的，需要高导电性来减少欧姆热。水蒸气冷凝产生的热量含量低于上述来源。熵热、反应不可逆热和欧姆热分别占产生的总热量的55%、35%和10%，与燃料电池堆的功率输出相当。

最广泛的冷却机制包括在专门设计的冷却通道中使用液体或空气作为冷却剂的强制对流，或带/不带翅片的边缘冷却。通常，在相同的泵送功率下，液体的传热系数大于气体的传热系数，因为前者的导热系数和热容更高。因此，液体冷却目前广泛用于带走大功率燃料电池堆（＞10kW）中产生的热量，尤其是在汽车应用中。在液体冷却中，传热机制是热量将从电池穿过双极板传递并进入冷却剂，冷却液流经电堆内分离的冷却剂通道，然后，加热的冷却介质通过泵送入热交换器，以实现将热量排出到周围介质中或将其用于加热等其他目的。

改变冷却通道的几何形状可以有效地提高燃料电池堆的热管理能力。通道几何形状的比较见表3-1。根据表3-1的结果，在雷诺数为10～60的条件下，采用V形和C形几何结构，整体换热效率分别提高了80%～270%和130%～385%。由于混乱区数量较多，C形几何结构优于V形结构。波浪形通道的设计提高了传热性能，特别是波长减小或振幅增大时。